基于多級模糊與GIS的天然氣管道風險評估

李 卓，李永樹，梁 磊

（西南交通大學 地理信息工程中心，四川 成都 610031）

天然氣管道由于施工、設計不合理及自身的腐蝕老化等原因都可能引發天然氣泄漏、爆炸等安全事故，給群眾的生命與財產造成不可挽回的損失［1］。實時地對燃氣管道系統進行安全性評估并保證安全、平穩運行具有重要的現實意義。

影響燃氣管道安全的因素很多，如使用年限、維修次數、第三方破壞、腐蝕指數、錯誤指數［2］等。不能憑單一因素作為評估風險等級的依據，而應綜合各種因素進行全面系統的評估，模糊綜合評估是借助模糊數學的概念［3］，應用模糊關系合成原理將一些邊界不清、不易定量的因素定量化后進行綜合評估的一種方法。目前，模糊綜合評估法在旅游資源評估、企業管理等領域的應用日益廣泛，陳浩［4］運用模糊評估提高了企業環境管理的績效，鄧俊國［5］利用模糊數學的理論建立了隸屬函數對旅游資源進行了綜合評估與分類等。但將模糊評估應用于風險評估的研究報道較少，本文利用模糊評估的原理對天然氣管道進行風險安全性評估，并結合GIS技術論證多級模糊評估用于風險評估的可行性，較好地克服了燃氣管道風險評估因素考慮不夠全面的缺陷，以便使評估結果更接近實際情況。

1 管道風險評估模型

1.1 多級模糊綜合評估原理

由單一影響因素判定管道老化結果帶有明顯的片面性，多級模糊綜合評估［6］是以模糊數學為基礎，應用模糊關系合成原理從多個影響因素對被評估對象的等級狀況進行綜合評估。運用多級模糊綜合評估建立管道風險評估模型，能夠為天然氣管道的監管建立較完善的評估體系，為管理部門提供科學決策依據。

設U＝｛u1，u2，…，un｝為模糊評估指標集，V＝｛v1，v2，…，vn｝為評語等級集，以Yi，j（i＝1，2，…m；j＝1，2，…n）表示評估指標ui的一級評估等級，相應的對評估內容進行單指標評估得到對象模糊關系矩陣

且Yi1＋…＋Yin＝1。設W＝｛w1，w2，…，w4，wn｝為各指標的權系數向量（權重），且wi≥0，w1＋…＋wn＝1。由此得到模糊評語B＝W·R＝（b1，b2，…，bn）。在該模型中，較難確定權重W和關系矩陣R。鑒于管道影響因素的復雜性，權重的確定采用專家鑒定法，專家對模糊指標打分，而關系矩陣在老化指標部分采用數據累加原則，其他部分也采用專家鑒定法，由此構建權重比例與關系矩陣。最后對模糊評語采用最大隸屬度方法，提取Max（Bi）值，匹配相應的評語等級集，即為最終的評估結果。

1.2 風險評估指標體系

管道風險評估的核心是風險指標的確定。這里所采用的模糊綜合評估是對受多種因素影響的事物做出全面評估的有效的多因素決策方法，其特點是評估結果不是絕對地肯定或否定，而是以一個模糊集合來表示。根據影響管網運行安全的各種因素，可以將危險因素分為5大類：老化指標，第三方破壞，腐蝕，設計，誤操作［7］。風險評估指數體系是一個多級體系，每個危險指標可以再進一步細分為分指標，如腐蝕可以分為管道內部腐蝕、大氣腐蝕、埋地管道土壤腐蝕等。各級體系的因素要結合實際在風險評估過程中不斷地完善，使風險評估結果能夠更加真實地反映管道風險狀況。如圖1所示，U＝｛老化指標，第三方破壞，腐蝕指數，設計指數，錯誤指數｝，V＝｛安全，一般，安全隱患，次危險，危險｝。

圖1 風險評估指標體系

風險評估指數體系的各級指標的權重直接影響評估結果，指標權重要參考國內外相關資料和文獻及專家經驗制定權重標準。指標權重要在風險評估工作中不斷完善，使得評估結果能更加真實反映管道風險狀況。評估結果如表1所示。

表1 天燃氣管道風險評估專家鑒定表格

由表1得到：

計算一級綜合模糊評估結果：

進行二級模糊綜合評估。二級模糊綜合評估的單因素評估矩陣，應為一級模糊綜合評估矩陣，構建二級評估的關系矩陣如下：

而二級指標權重W＝（0.51，0.23，0.07，0.13，0.06）。

得到模糊評語B＝W·R＝（B1，B2，B3，B4，B5）＝（0.26，0.31，0.24，0.13，0.06）。

這說明管道風險對模糊評語“安全”的隸屬度為0.26，“一般”的隸屬度為0.31，“安全隱患”的隸屬度為0.07，“次危險”的隸屬度為0.13，“危險”的隸屬度為0.06。按最大隸屬度原則，對模糊評語提取Max（Bi）（i＝1，…，5）的值。即模糊評估值為0.31，得到對該管道的綜合評估為“一般”。

2 風險評估流程

為了保證管道風險評估過程的完整性和系統性，建立風險評估主要流程如下：①前期評估模型設計，主要是確定引起管道危險的因素、各因素的分指標和一些評估模型技術方案；②收集數據，主要是收集與分析管道風險評估相關的圖形和屬性信息，如管道施工、管道巡線頻率、管道防腐措施等；③選取評估模型進行評估實施，根據評估值劃分管道危險性等級；④根據評估結果進行統計分析，利用GIS技術得到相應的管道危險性專題圖。

考慮到風險評估指數體系的各級指標的權重的主觀性，模塊設計了相應的對話框，通過自定義選擇來設置各個指標的權重，在確定了這些風險指標權重后，讀取數據庫管道風險數據信息，結合風險評估模型計算管道風險值，并基于GIS技術對管道風險值進行專題顯示，如圖2所示。

圖2 顯示評估機制的流程

3 實驗與分析

天然氣管道風險評估模塊以ArcGIS為平臺，利用CJHJ.NET開發實現。實驗數據為某市天然氣管網地形圖及管道風險調查數據。按照管道風險評估流程對管道進行分析評估，風險評估分析過程如圖3所示，一級指標及二級指標可以根據實際需要添加，所對應的指標權重可動態修改，計算得到風險評估結果如圖4所示，并根據管道風險等級將管道以5種顏色進行相對風險評估結果的專題可視化顯示（見圖5），圖中沿道路的管道風險等級呈現為次危險，應引起足夠重視。

圖5 管網風險值可視化

4 結束語

通過天然氣管道風險評估體系研究，建立了多級模糊風險評估模型，能夠對管道進行風險評估，并利用GIS技術實現了管道風險評估結果可視化，能夠直觀地了解管道運行風險程度，并自動劃分管道重點風險監測區段，并將管道風險評估結果存儲于管網數據庫中，技術管理人員可以實時掌握現有管道安全運營情況。同時，還能夠從GIS數據庫中查找管網設施的空間位置、相關屬性及安全隱患等信息。在天然氣管道評估過程中，還需要不斷對有關指標體系進行修正、完善，使評估結果更加切合實際，從而提高天然氣管道運行的安全性。

［1］馬磊，李永樹.城市天然氣管網預警系統的研究與實現［J］.中國安全科學學報，2010，20（9）：171－176.

［2］鄭津洋，馬夏康，尹謝平.長輸管道安全［M］.北京：化學工業出版社，2004.

［3］劉春鳳，董建軍.模糊綜合評價法在啤酒口感協調性品評中的應用［J］.西北農林科技大學學報，2008，36（3）：213－222.

［4］陳浩，薛聲家.企業環境管理績效的多級模糊綜合評價［J］.科技管理研究，2006，56（4）：56－65.

［5］鄧俊國，李加林.旅游資源多級模糊綜合評價探討——以河北省淶源縣為例［J］.資源科學，2004，26（1）：76－82.

［6］賀北方，于章林，劉正才.多級模糊層次綜合評價的數學模型及應用［J］.系統工程理論與實踐，1989（6）：1－6.

［7］徐海宏，夏耀祖.燃氣管道風險評估系統概況［J］.上海煤氣，2006，2（1）：1－3